DE2718662C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zum Vermindern des Einsaugens von Bodenfremdkörpern in den Einlauf eines Gasturbinentriebwerks mit den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 wie sie aus der GB-PS 12 03 963 bekannt ist.

Verbrennungskraftmaschinen wie Gasturbinentriebwerke benötigen allgemein große Mengen von Luft mit hoher Strömungsgeschwindig­ keit zur Erzeugung eine Antriebsschubs oder zur Krafterzeugung. Es ist an sich bekannt, daß Fremdkörper im Luftstrom mitgeführt werden können, welcher in den Triebwerkseinlauf eingesaugt wird. Auf Luftfahrzeugen befestigte Gasturbinentriebwerke sind beson­ ders anfällig für das Einsaugen von Fremdkörpern vom Boden auf den Landebahnen des Flugfeldes bei der Fahrt von und zur Lande­ bahn, beim Starten und beim Landen. Bei einigen Triebwerken ist eine rasche Verschlechterung der Leistung und eine verminderte Betriebsdauer durch eine Erosion der Profilteile durch die ab­ schleifende Wechselwirkung dieser Fremdkörper mit den Profil­ teilen des Triebwerkes aufgetreten. Weiterhin kann ein Trieb­ werksausfall mit katastrophalen Folgen durch eine sofortige Beschädigung der inneren Teile des Triebwerkes auftreten, wenn die in das Triebwerk eingesaugten Fremdkörper aus großen Stei­ nen oder anderen Gegenständen bestehen.

Es ist ebenfalls bekannt, daß einerseits ein Teil der Leistungsverschlechterung durch Einsaugen von in der Luft mitgeführten Teilchen in das Triebwerk verursacht wird und andererseits eine bedeutende Leistungsverschlechterung sich aus dem Einsaugen von Bodenfremdkörpern in das Triebwerk er­ gibt, welches durch eine Wirbelbildung zwischen dem Triebwerks­ einlauf und dem Boden verursacht wird. Ins­ besondere ist gemäß der Beschreibung im Stand der Technik das Phänomen der Wirbelbildung bei Gasturbinentriebwerken und Luftfahrzeugen ähnlich der in der Natur auftretenden Wirbelbildung, wie sie in ihrer stärkeren Form als Tornado und in ihrer milderen Form als Staubwirbel bekannt ist. Der Wirbel unter dem Einlauf eines Gasturbinentriebwerkes ist im Grunde genommen ähnlich den vorgenannten Wirbel­ bildungen der Natur mit der Ausnahme, daß er durch ande­ re Bedingungen hervorgerufen wird.

In der Natur wird der Wirbel durch die Wechselwirkung zwischen horizontalen Oberflächenwinden mit dem vertikalen aufsteigenden Warmluftstrom gebildet, welcher in höhere Luftschichte mit geringerer Dichte aufsteigt. Beim Gastur­ binentriebwerk wirken horizontale Oberflächenwinde zusammen mit dem vertikalen Luftstrom unterhalb des Triebwerkes zur Bildung eines Wirbels, welcher vom Triebswerkseinlauf nach unten bis zur Obefläche der Landebahn reicht. Wie bei dem in der Natur erzeugten Gegenstück, dem Staubwir­ bel, wird der Wirbel bei einem Gasturbinentriebwerk beim Kontakt mit dem Boden lose Teile oder Fremdkörper vom Boden entfernen und diese nach oben vor den Triebwerks­ einlauf schleudern, so daß diese Teile in dem Luftstrom mitgeführt werden, welcher in den Triebwerkseinlauf ein­ tritt. Vorbekannte Lösungsversuche zur Beseitigung des Einsaugens von Fremdkörpern in den Triebwerkseinlauf, das durch Wirbelbildung verursacht wird, waren sehr vielfäl­ tig und sehr zahlreich. Ein solcher Lösungsversuch bestand z. B. einfach in der Ausführung einer intensiven Reinigung der Landebahnen des Flugfeldes. Dieser Lösungsweg ist zwar einfach und zweckgerichtet. Er hat sich jedoch als kost­ spielig erwiesen infolge der raschen Ansammlung von Verun­ reinigungen auf der Landebahn und der hohen Kosten der Reinigungsgeräte. Bei einem weiteren Lösungsweg wurden Ab­ schirmungen oder Siebe verwendet, welche in oder um den Einlauf des Triebwerks zur Filterung der in das Triebwerk einströmenden Luft angeordnet wurden. Dieser Lösungsversuch erwies sich als unbefriedigend, da die Filter oder Siebe eine Tendenz zur Ver­ stopfung mit Fremdkörpern besitzen und unter normalen Dauer­ flugverhältnissen den Luftstrom in das Triebwerk hemmen. Aus­ fahrbare Siebe ergaben keine annehmbare Lösung für das Problem, da beim Einfahren der Siebe die Teilchen vom Sieb gelöst wurden und in dem Triebwerkseinlauf eingesaugt wurden.

Bei einem weiteren bekannten Lösungsweg wurden nach vorn blasen­ de Luftstrahlen verwendet, die zum Wegblasen der losen Fremd­ körper auf den Boden vor dem Triebwerkseinlauf gerichtet waren. Bei diesem Lösungsweg wurden jedoch Fremdkörper vom Boden abge­ blasen und in die Luftströme geblasen, welche in den Triebwerks­ einlauf einströmen. Spätere Verfahren benutzten ebenfalls einen Luftstrahl, jedoch in etwas anderer Weise. Bei einem Lösungs­ weg dieser Art wurde ein Ausstoß verdichteter Luft an einem Punkt hinter dem Triebwerkseinlauf und in Vorwärtsrichtung vorgesehen, um den Mittelpunkt der Entstehung des Wirbels zu treffen und wegzublasen. Schließlich wurden auch noch Luftstrahlen vor dem Triebwerkseinlauf zum Ausstoß von Luft in die rückwärtige Rich­ tung zur Bildung eines künstlichen Gegenwindes vorgesehen, welcher der Bildung des Wirbels entgegenwirkte. Von diesen Lösungswegen war jedoch kein Weg völlig zufriedenstellend. Insbesondere muß ein Ausleger zur Aufnahme der Luftstrahlen vor dem Triebwerkseinlauf vorgesehen werden und mit Ent­ eisungsvorrichtungen ausgestattet werden, um die Bildung von Eis auf diesem Ausleger bei Dauerflugbedingungen zu verhindern. Ohne eine solche Vorrichtung kann das von dem Ausleger ab­ brechende Eis in das Triebwerk gelangen und bedeutende Schäden verursachen.

Auch die in der eingangs erwähnten GB-PS 12 03 963 beschriebene Einrichtung beinhaltet diesen Nachteil. Neben einer auf der Unterseite des Einlaufmantels vorstehenden Düse, die einen zusätzlichen nach hinten gerichteten Luftstrom erzeugt, sind zwei an der Außenfläche des Einlaufmantels verstellbare be­ festigte Platten erforderlich, die in ihrer weitesten Stel­ lung die hauptsächliche Saugkraft erzeugen, um Wirbel vom Einlauf weg nach hinten zu ziehen. Neben notwendigen Ein­ richtungen zum Verstellen dieser Platten sind auch noch Enteisungsmaßnahmen erforderlich, um die Platten funktions­ fähig zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1, eine einfach aufgebaute Einrichtung dieser Art zu schaffen, die ohne beweg­ bare Teile für eine betriebssichere Wirbelablenkung vom Ein­ laufweg sorgt. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.

Danach wird erfindungsgemäß eine in den Manteleinlauf inte­ grierte Einrichtung ohne zu verstellende Bauteile geschaffen. Durch in bestimmten Abstand vom halben Einlaufdurchmesser oder weniger und unter bestimmten Winkeln gegenüber der Horizontalen angeordneten Düsen wird eine fächerförmige Düsenströmung er­ zeugt, die einen Niederdruckbereich hinter der Vorderkante des Einlaufmantels hervorruft. Durch die anordnungsbedingte Neigung der fächerförmigen Düsenströmung liegt der aufgebaute Niederdruckbereich so nah am Wirbelbildungsbereich, daß die Luftströme aus dem Wirbelbildungsbereich zuverlässig vom Einlauf abgesaugt werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt die

Fig. 1 zeigt eine perspektivische schematische Abbil­ dung eines Gasturbinentriebwerkes, das in der Tragfläche eines Luftfahrzeuges in der Nähe des Bodens befestigt ist, und zeigt in symbolischer Darstellung einen Wirbel. Die

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht des Einlaufs bzw. Einlasses eines Gasturbinentriebwerkes für ein Luftfahrzeug und zeigt die Wirbelbildung bei einem Triebwerk, welches nicht mit der erfindungsgemäßen Anordnung ausgestattet ist. Die

Fig. 3 ist eine schematische Schnittansicht des vor­ deren Teils eines Gasturbinentriebwerkes, welches mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ausgestattet ist. Die

Fig. 4 ist eine schematische Ansicht entlang der Linie 4-4 in Fig. 3. Die

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung und zeigt ein Gasturbinentriebwerk, welches mit einer Ausführungs­ form der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist und bei dem die Wirbelbildung vollständig beseitigt ist. Die

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerkes, welches mit einer Ausführungs­ form der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist, wobei der Wirbel hinter dem Triebwerkseinlaß abgezogen wurde.

Die Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Gas­ turbinentriebwerkes 30, welches an der Tragfläche 32 eines Luftfahrzeuges befestigt ist. Gemäß der Abbildung erstreckt sich unter den Betriebsbedingungen des Triebwerkes ein verwirbeltes Luftstromfeld, allgemein als Wirbel 34 bezeich­ net, von dem Erdboden nach oben zu dem Einlauf oder Einlaß 36, welcher durch die den Einlaufmantel darstellende Gondel 38 gebildet wird. Der Wirbel 34 enthält einen Staupunkt 39 in der Nähe des Bodens abseits von dem Triebwerkseinlaß, wobei dieser Punkt entsprechend den Umgebungswindverhältnissen wandert.

In der Fig. 2 ist die vorgenannte Wirbelerscheinung ohne Verbindung mit der vorliegenden Erfindung abgebildet. Unter den Betriebsbedingungen wird das Triebwerk 30 mit Luft von Bereichen vor und hinter der umkreisförmig verlau­ fenden Vorder- oder Eintrittskante 42 der Gondel 38 versorgt. Insbeson­ dere wird das Triebwerk 30 mit Luft durch einen nach rück­ wärts strömenden Hauptluftstrom versorgt, welcher teil­ weise durch die Strömungslinien 44 vor der Eintrittskan­ te 42 abgebildet ist, und weiterhin wird das Triebwerk mit Luft durch einen nach vorne strömenden senkundären Luftstrom versorgt, welcher teilweise durch die Strömungs­ linien 46 abgebildet ist. Die Wechselwirkung zwischen dem Luftstrom 44, dem Luftstrom 46 und dem Oberflächen­ wind der Atmosphäre erzeugt einen Bereich 47 etwa unter­ halb der Eintrittskante 42, in dem die größte Wahrschein­ lichkeit für die Bildung des Wirbels 34 besteht, und in dem der einmal gebildete Wirbel 34 verharrt. Wie bereits festgestellt, wandert der Staupunkt 39 des Wirbels 34 über den Boden entsprechend der herrschenden Windgeschwin­ digkeit und Windrichtung. Gelegentlich wird der Stau­ punkt 39 den Boden berühren und ein Anheben von losen Fremdkörpern in den Triebwerkseinlaß 36 bewirken. Der Wirbel kann das Einsaugen von Fremdkörpern auf zwei We­ gen verursachen: Einmal durch Aufwirbelung der Fremdkörper und Einführung in einen der beiden Einlaßströme 34 und 46 oder durch impulsives Aufheben der Fremdkörper nach oben in den Niederdruckkern des Wirbels.

Die Fig. 3 und 4 zeigen eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerkes, welches eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält. Für die verschiedenen Triebwerksbauteile und Luftströme werden die gleichen Bezugs­ ziffern wie in den Fig. 1 und 2 verwendet. Ein Vertei­ ler 48 zur Verteilung des fließfähigen Mittels ist in der Triebwerksgondel 38 in der Nähe und hinter der Ein­ trittskante 42 angeordnet und verläuft teilweise in einem Kreisbogen um den Einlaß 36 herum. Vom Verteiler 48 aus ragt eine Anzahl von am Umkreis beabstandet angeordneten Fluiddüsen 50 radial nach außen und ist so angeordnet, daß sie nach unten und rückwärts weisen unter einem Win­ kel B zu einer gedachten horizontalen Bezugsebene X-X. Die Fig. 3 zeigt die Düsen 50 in einer Anordnung, bei der sie über den Umfang beabstandet angebracht sind. Die Düsen können jedoch auch so angeordnet sein, daß sie nicht nur am Umfang angebracht sind, sondern sich auch nach rückwärts erstrecken und dadurch eine zweidimensionale Anordnung von Düsen bilden. Weiterhin kann der Winkel B jeder Düse einer horizontalen Ebene vom Winkel B anderer Düsen in der Anordnung verschieden sein. Der Verteiler 48 ist eingerichtet zur Strömungsmittelverbin­ dung mit einer Quelle für das verdichtete Strömungsmittel oder Fluid, beispielsweise einem Verdichter 52 des Gas­ turbinentriebwerkes 30, wobei die Verbindung durch eine Leitung 54 für das Strömungsmittel hergestellt wird. Zwischen dem Verdichter 52 und dem Verteiler 48 kann in die Leitung 54 eine Steuereinrichtung 55 eingefügt werden, um die Zufuhr des Strömungsmittels zum Verteiler 48 zu steuern. In Fig. 3 wird als Quelle für das verdichtete Strömungsmittel der Verdichter 52 gezeigt; andere Quellen können jedoch ebenfalls zur Strömungsmittelverbindung mit dem Verteiler48 eingerichtet werden. Insbesondere kann der Verteiler 48 mit zahlreichen anderen unter Druck stehenden Bauteilen des Gasturbinentriebwerkes 30 oder mit einer getrennten Pumpe oder mit der Hilfsluftversor­ gung verbunden sein, welche am Auslaß eines Ejektors vorhanden ist, welcher durch die Abzweigluft des Trieb­ werkes versorgt wird. Weiterhin können die auf den Fig. 3 und 4 im Innern der Gondel 38 abgebildeten Vertei­ ler 48 und Strömungsmitteldüsen 50 auch außerhalb der Gondel 38 angeordnet sein.

Verdichtetes Strömungsmittel, beispielsweise Luft wird dem Verteiler 48 vom Verdichter 52 über die Leitung 54 und die Steuereinrichtung 55 zugeführt, wird auf die Anzahl von Düsen 50 verteilt und von der Eintrittskan­ te 42 weggerichtet in einem Fluidstrahl abgegeben, wel­ cher aus einem flächenförmigen Luftstrahl besteht, der bei 56 nach rückwärts und unten auf den Boden gerichtet ist. Ein Niederdruckbereich 58 (in den Fig. 3, 5 und 6 schraffiert gezeigt) wird dabei unmittelbar vor dem fächer­ förmigen Luftstrom aufgebaut, jedoch hinter der Eintritts­ kante 42 der Gondel 38. Der Niederdruckbereich 48 wird aufgebaut durch die Neigung des fächerförmigen Stroms 56, die Luft, welche normalerweise den Bereich 58 einnimmt, aus diesem Bereich heraus nach rückwärts mitzuführen. Diese Erscheinung ist teilweise zurückzuführen auf die durch die Viskosität verursachte Wechselwirkung zwischen dem fächerförmigen Luftstrom 56 und der Luft im Bereich 58 benachbart zur Grenzfläche mit dem fächerförmigen Strom 56.

Düsen 50 sind in der Gondel 38 an einer bestimmten Stelle und unter bestimmten Winkel so angeordnet, daß der vor der fächerförmigen Düsenströmung 50 aufgebaute Niederdruck­ bereich 58 hinter der Eintrittskante 42 und in ausreichen­ der Nähe zu dem Bildungsbereich liegt, in welchem sich normalerweise der Wirbel 34 befindet, so daß Luftströme aus dem Wirbelbildungsbereich in den Niederdruckbereich 58 gesaugt und von dem Triebwerkseinlaß 36 abgesaugt werden. Insbesonders wird dies dadurch erreicht, daß Düsen 50 hinter der Eintrittskante 42 mit einem Abstand von etwa D /2 oder darunter und vorzugsweise D /4 oder darunter angeord­ net werden, wobei D der Durchmessr des Triebwerkeinlas­ ses 36 ist. Weiterhin werden Düsen 50 unter einem Winkel B bezüglich einer gedachten horizontalen Ebene X-X angeordnet, welcher etwa zwischen 10° und 45° und vorzugsweise zwischen 20° und 30° liegt.

Mit der vorstehend beschriebenen Anordnung der Düsen 50 wird der Niederdruckbereich 58 unmittelbar hinter dem Be­ reich zur Bildung und zum Verweilen des Wirbels aufge­ baut. Durch diese unmittelbare Nähe saugt der Niederdruck­ bereich 58 Luftströme aus dem Wirbelbildungsbereich heraus und daher stört er die Luftstromverteilung, welche sonst zur Bildung eines Wirbels führen würde. Die Luftstrom­ verteilung um den Triebwerkseinlaß 36 bei einer Ausführungs­ form der Erfindung wird in Fig. 5 gezeigt. Der Teil des nach rückwärts strömenden Luftstroms 44, welcher sonst zur Bildung des Wirbels 34 beitragen würde, wird aus dem Wirbelbildungsbereich 47 in den Niederdruckbereich 58 abgezogen, welcher hinter der Eintrittskante 42 liegt. Der Wirbel wird beseitigt, da der Druck im Niederdruck­ bereich ausreicht, um Luftströme aus dem Wirbelbildungs­ bereich in den Niederdruckbereich mit eine Strömungsge­ schwindigkeit abzuziehen, welche zur Verhinderung der Bildung oder Erhaltung des Wirbels ausreicht. Der übrige Teil des nach rückwärts fließenden Luftstroms tritt in normaler Weise in den Einlaß 36 ein.

Die vorliegende Erfindung ist auch geeignet zur Unter­ drückung des Eindringens von Fremdkörpern in den Trieb­ werkseinlaß, wenn die Oberflächenwinde solche Luftstrom­ verteilungen erzeugen, bei denen es schwierig ist, den Wirbel zu beseitigen oder seine Bildung zu verhindern. Unter diesen Umständen reicht die Größe des Unterdrucks im Niederdruckbereich aus, um den Staupunkt 39 des Wirbels nach rückwärts zu einer Stelle in dem Niederdruck­ bereich zu ziehen, in dem er sich hinter der Eintrittskan­ te 42 der Gondel 38 befindet. Im Falle einer Berührung des Bodens durch den Wirbel 34 werden die meisten Teil­ chen nach oben ausgestoßen und in demjenigen Teil des Luftstroms 44 aufgenommen, welcher bereits hinter der Eintrittskante 42 liegt und nach rückwärts strömt. Daher werden die meisten Teilchen vom Triebwerkseinlaß wegge­ führt und das Eindringen von Teilchen wird verringert. Dieser Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt.

Claims (3)

1. Einrichtung zum Vermindern des Einsaugens von Bodenfremd­ körpern in den Einlauf eines Gasturbinentriebwerkes, wobei ein das Einsaugen verursachender Wirbel ablenkbar ist durch eine von dem Einlaufbereich stromabwärts zum Boden gerichtete Düsenströmung, die stromabwärts von der Vorderkante des Ein­ laufes einen Niederdruckbereich erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere unter einem Wirbel von 10° bis 45° zur Horizontalen ausgerichtete Düsen (50) in einem zweidimensionalen Feld auf einem unteren Teil des Einlaufumfangs angeordnet sind und eine fächerförmige Düsenströmung (56) erzeugen und daß die Düsen (50) in einem Abstand von nicht mehr als einem Halben des Durchmessers (D) des Einlaufes (36) stromabwärts von dessen Vorderkante (42) in dem Einlaufmantel (38) angeordnet sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld der Düsen (50) in einem Abstand von dem viertel Durchmesser (D) des Einlaufes (36) stromabwärts von dessen Vorderkante (42) in dem Einlaufmantel angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Düse (50) in einem anderen Winkel (β) zur horizontalen Ebene als wenigstens eine weitere Düse (50) angeordnet ist.